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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage im Bereich der Stromerzeugung, nämlich einen Wechselstrom erzeugenden Generator, der die kinetische Energie einer Fluidströmung in elektrische Energie umwandelt. Der besagte Generator ist geeignet, bei verschiedenen Betriebszuständen in Automobilen eingesetzt zu werden.
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Technischer Hintergrund
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Die so genannte Reynolds-Zahl einer Strömung ist eine dimensionslose Zahl und stellt das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften einer Fluidströmung dar. Die Reynolds-Zahl eines komprimierbaren Fluids Re kann mit der folgenden Formel wiedergegeben werden:
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Dabei stehen ρ, V∞, µ jeweils für die Dichte, die Geschwindigkeit und die Dynamik-Viskosität der Strömung; L steht für den Maßstab der charakteristischen Länge des Körpers. Wenn eine Fluidströmung einen nichtstromlinienförmigen Körper umströmt, startet auf Grund des Gegendruck-Gradienten der viskosen Grenzschicht die Trennung der Grenzschicht auf der Oberfläche. Im Laufe der Zeit bilden sich je nach Reynolds-Zahl verschiedene Bewegungsformen in der Spur hinter dem umströmten Körper. Zahlreiche theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass bei Reynolds-Zahlen von 50 bis 500 sich in dem Spurbereich stabile, paarweise auftretende, in beständigem Abstand zueinander stehende Wirbel mit laminarem Kern ausbilden, die abwechselnd hintereinander stehen und gegenläufig rotieren. Ein derartiger Strömungsmodus wird Karman-Wirbelstraße genannt, da der deutsche Physiker VON KARMAN als erster dieses Phänomen erforscht hat. 1 zeigt das Entstehungsschema einer Karman-Wirbelstraße. Es muss zunächst eine Fluidströmung geben. Ferner muss die Fluidströmung einen nichtstromlinienförmigen Körper umströmen, der als Wirbelerreger 2 bezeichnet werden kann. In 1 wird dieser als ein zweidimensionaler Zylinder dargestellt. Befindet sich die Reynolds-Zahl in den oben genannten Bereichen, so bildet sich hinter dem Wirbelerreger 2 eine Karman-Wirbelstraße 3.
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In einer Karman-Wirbelstraße 3, die sich hinter dem Wirbelerreger 2 befindet, bewegen sich die Wirbel entlang der Anströmungsrichtung 1 nach hinten. Wegen der Zirkulation innerhalb jedes einzelnen Wirbels erhält der Wirbel eine Kraft, die gegenüber der Anströmungsrichtung senkrecht gerichtet ist, nämlich die Auftriebskraft. Dementsprechend erhält die Fluidströmung in einer Karman-Wirbelstraße eine periodisch richtungsabwechselnde Kraft, die gegenüber der Anströmungsrichtung 1 senkrecht gerichtet ist. Auf Grund des Prinzips von Kraft und Reaktionskraft erhält der Wirbelerreger 2 von der Fluidströmung auch eine Kraft, die sich periodisch richtungsabwechselnd bewegt und gegenüber der Anströmungsrichtung 1 senkrecht ist. Dadurch kommt es zu Schwingungen des Wirbelerregers 2 in der zur Anströmungsrichtung 1 senkrechten Richtung. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die von solchen Schwingungen in der Karman-Wirbelstraße erzeugte Energie in nutzbare Energie, z. B. in elektrische Energie, umzuwandeln.
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Inhalt der Erfindung
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Ausgehend von den oben genannten Erkenntnissen stellt die vorliegende Erfindung einen Wechselstrom erzeugenden Generator bereit, der die kinetische Energie einer Fluidströmung in elektrische Energie umwandelt. Der besagte Generator ist geeignet, in Automobilen bei verschiedenen Betriebszuständen (einschließlich des Leerlaufzustandes) eingesetzt werden.
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2 zeigt eine von oben gesehene Schnittansicht des erfindungsgemäßen Generators, und 3 zeigt eine von der Seite gesehene Schnittansicht des erfindungsgemäßen Generators. Der erfindungsgemäße Generator umfasst ein Gehäuse 4, das über einen langen hohlen Innenraum verfügt. An dem einen Ende des Gehäuses ist ein Strömungseingang 5 und an dem anderen Ende des Gehäuses ein Strömungsausgang 6 angeordnet. Sowohl der Strömungseingang als auch der Strömungsausgang sind mit Verbindungsflansch ausgestattet. Innerhalb des Gehäuses 4 ist ein Wirbelerreger 2 in der Nähe des Strömungseingangs 5 angeordnet. Auf beiden Seiten des Wirbelerregers 2 sind zwei Dauermagnete 7, 8 auf der inneren Oberfläche des Gehäuses 4 angeordnet, wobei der N-Pol des Dauermagneten auf der einen Seite des Wirbelerregers 2 dem S-Pol des Dauermagneten auf der anderen Seite des Wirbelerregers 2 gegenüber steht. Die Oberfläche des Wirbelerregers 2 ist mit einer Metallspule 9 umwickelt. Wahlweise kann die Metallspule 9 auch in die innere Oberfläche des Wirbelerregers 2 eingelegt werden.
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Der hohle Innenraum des Gehäuses 4 bildet den Kanal für die Fluidströmung. Der Querschnitt des Gehäuses 4 kann kreisförmig, rechteckig oder auch polygonförmig sein.
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Die Höhe h der zwei Dauermagnete 7, 8 beträgt ½ der Höhe des hohlen Innenraums H des Gehäuses 4. Deren Verhältnis zueinander wird durch die folgende Formel veranschaulicht: h = 1 / 2(H – L) ~ 1 / 2(H + L) (2)
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Dabei steht L für die charakteristische Länge des Wirbelerregers 2. Zwischen den zwei Dauermagneten entsteht ein magnetisches Feld, wobei die magnetischen Feldlinien vom N-Pol des einen Magneten zum S-Pol des anderen Magneten verlaufen.
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Der Wirbelerreger 2 ist zylinderförmig ausgestaltet und mit einer dünnen Wand versehen und verfügt über einen hohlen Innenraum, wobei beide Enden des Zylinders offen sind. Der Durchmesser des zylinderförmigen Körpers des Wirbelerregers 2 stellt die charakteristische Länge des Wirbelerregers 2 dar. Der Wirbelerreger 2 besteht aus elastischem Polymerstoff und ist mit seinen beiden Enden in die beiden Dauermagnete 7, 8 sowie die innere Oberfläche des Gehäuses 4 so eingefasst, dass er sich mit der Metallspule 9 im oberen Bereich des magnetischen Feldes befindet und seine Längsachse senkrecht zu der des Gehäuses 4 steht.
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Fließt eine Fluidströmung in das Gehäuse 4 hinein und umströmt den Wirbelerreger 2, so entsteht hinter diesem eine Karman-Wirbelstraße. Da der Wirbelerreger 2 elastisch ist, kann er in der senkrecht zur Anströmungsrichtung 1 verlaufenden Richtung auf- und abschwingen, was auch die Metallspule 9 in Bewegung setzt. Auf Grund der schwingenden Bewegung schneidet die Metallspule 9 periodisch durch die magnetischen Feldlinien des magnetischen Feldes zwischen den beiden Dauermagneten 7, 8. Dadurch verändert sich die magnetische Flussdichte in der Metallspule 9 periodisch, und es entsteht ein induzierter Strom in der Metallspule 9.
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4 zeigt das Anordnungsschema des erfindungsgemäßen Generators in einem Automobil. Der erfindungsgemäße Generator wird zwischen dem Luftfilter 10 und Luftansaugrohr 11 des Motors angeordnet. Der Strömungsausgang 6 des Gehäuses 4 ist über einen Verbindungsflansch mit dem Luftansaugrohr 11 verbunden, und der Strömungseingang 5 des Gehäuses 4 ist über einen Verbindungsflansch mit dem Luftfilter 10 verbunden. Unabhängig davon, ob ein Automobil fährt oder sich im Haltezustand befindet, solange der Motor des Automobils läuft, strömt beständig Luft über den Luftfilter 10 in das Gehäuse 4. Somit wird Elektrizität nach den oben genannten Prinzipien erzeugt. Somit kann der erfindungsgemäße Generator unter verschiedenen Betriebszuständen eines Automobils arbeiten.
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Der erfindungsgemäße Generator ist vergleichsweise einfach ausgestaltet und leichtgewichtig und beansprucht daher vergleichsweise wenig Raum. Seine Herstellungskosten sind vergleichsweise gering, und er kann mit vergleichsweise geringem Arbeitsaufwand in ein Automobil integriert werden.
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Erläuterungen der Zeichnungen
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Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Entstehung einer Karman-Wirbelstraße,
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2 eine von oben gesehene Schnittansicht des erfindungsgemäßen Generators,
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3 eine von der Seite gesehene Schnittansicht des erfindungsgemäßen Generators,
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4 das Anordnungsschema des erfindungsgemäßen Generators in einem Automobil, und
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5 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Generators.
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Ausführungsbeispiel
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Generators näher erläutert. Der erfindungsgemäße Generator kann unter verschiedenen Betriebszuständen eines Automobils arbeiten, d.h. sowohl im fahrenden Betrieb als auch im Leerlaufbetrieb. In ersterem Fall wird bereits durch die Gegenbewegung der Luft eines fahrenden Automobils Luftströmung in dem Gehäuse 4 erzeugt, im zweitem Fall wird im Leerlaufbetrieb des Motors durch den Luftansaugvorgang des Motors Luftströmung erzeugt. Wie in 4 gezeigt, ist der erfindungsgemäße Generator vor dem Luftansaugrohr 11 des Motors angeordnet. Solange der Motor läuft, wird Luft in das Gehäuse 4 hineingesaugt, so dass der Generator arbeiten kann. Normalerweise sind in einem Automobil der Luftfilter 10 und das Luftansaugrohr 11 des Motors direkt miteinander verbunden. Um den erfindungsgenäßen Generator zu verwenden, muss dieser lediglich zwischen dem Luftfilter 10 und dem Luftansaugrohr 11 des Motors angeordnet werden, ohne dass ein weiterer Umbau des Automobils nötig wäre.
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Voraussetzung für das Arbeiten des erfindungsgemäßen Generators ist, dass der Wert der Reynolds-Zahl in dem Bereich liegt, in dem eine Karman-Wirbel-Straße entstehen kann. Die Luftbewegungen in einem Luftansaugrohr entsprechen normalerweise dieser Voraussetzung. Betragen beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit im Lautansaugrohr 2 m/s, die Dichte und die dynamische Viskosität der Luft jeweils 1,2 kg/m3 und 1,8 × 10–5 Pa/s (Pascalsekunde) und die charakteristische Länge des Wirbelerregers 0,001 m, so errechnet sich die Reynolds-Zahl Re nach der Formel 1 auf 133. Dies erfüllt die Voraussetzung für das Entstehen einer Karman-Wirbelstraße. Nach dem Entstehen der Karman-Wirbel-Straße erfährt der Wirbelerreger eine Auftriebskraft FL. Der Wert der FL steht in direktem Verhältnis zu der Länge des Wirbelerregers. Nach statischer Analyse und bei Vernachlässigung der Gravitationskraft eines schwingenden Körpers kann davon ausgegangen werden, dass FL der Gegenbewegungskraft des Wirbelerregers Fs entspricht: FL = Fs (3)
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Nach dem Hooke‘schen Gesetz steht die Gegenbewegungskraft des Wirbelerregers Fs zu der Verformung des Wirbelerregers in einem Linearitätsverhältnis, das durch die folgende Formel ausgedrückt wird: Fs = k·dY (4)
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Dabei steht k für den Koeffizienten der linearen Verformung des Wirbelerregers und dY für die Verschiebungsgröße des Wirbelerregers in der senkrecht zur Anströmungsrichtung verlaufenden Richtung. Aus Formel 3 und Formel 4 ergibt sich, dass diese Verschiebungsgröße wie folgt errechnet werden kann:
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dY ist zudem die größte Verschiebungsgröße, wenn die Gravitationskraft des schwingenden Körpers mitberücksichtigt wird. Deswegen kann der erfindungsgemäße Generator mit passenden Parametern wie z. B. den geometrischen Maßen und den Verformungskoeffizienten des Wirbelerregers ausgeführt werden. Nach eingehender kinetischer Analyse kann die zeitliche Verschiebungsgröße y(t) des schwingenden Wirbelerregers in folgender Formel ausgedrückt werden: y(t) = A0sin(2πfet), (6)
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Dabei steht A0 für die Amplitude und fe für die Schwingungsfrequenz, die je nach Zustand des Strömungsfeldes der Abfallfrequenz der Wirbel sehr nahe kommt oder dieser gar entspricht.
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Im Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 4 des erfindungsgemäßen Generators aus hartem Plastikmaterial ausgeführt. Das Gehäuse 4 verfügt über dünne Wände und sein Querschnitt ist rechteckig ausgestaltet. Der Wirbelerreger 2 ist aus elastischem Polymerstoff ausgeführt und ist zylinderförmig mit hohlem Innenraum ausgestaltet. Beide Enden des zylinderförmigen Körpers des Wirbelerregers 2 sind offen. Der Abstand des Wirbelerregers 2 zum Strömungseingang 5 des Gehäuses 4 ist nicht kleiner als das Zweifache des Umfangs des zylinderförmigen Körpers des Wirbelerregers 2, so dass die Luftströmung zunächst einen längeren Kanal durchströmt, bevor sie auf den Wirbelerreger 2 stößt. Dies stellt sicher, dass die Luftströmung zunächst stabil und gleichmäßig fließt; eine Karman-Wirbel-Straße entsteht erst dann, wenn die Luftströmung den Wirbelerreger 2 umströmt.
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Die Metallspule 9 ist gleichmäßig um den Wirbelerreger 2 umwickelt.
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Die Höhe der Dauermagnete 7, 8 ergibt sich aus Formel 2. Ein magnetisches Feld entsteht im Gehäuse 4. 5 zeigt eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Generators. Der Wirbelerreger 2 ist mit seinen beiden Enden in die Dauermagnete 7, 8 sowie in die innere Oberfläche des Gehäuses 4 so eingesteckt, dass er sich mit der Metallspule 9 im oberen Bereich des magnetischen Feldes befindet und seine Längsachse senkrecht zu der des Gehäuses 4 steht. Fließt eine Fluidströmung in das Gehäuse 4 hinein und umströmt den Wirbelerreger 2, so entsteht hinter diesem eine Karman-Wirbelstraße. Da der Wirbelerreger 2 elastisch ist, kann er in der senkrecht zur Anströmungsrichtung verlaufenden Richtung auf- und abschwingen, was auch die Metallspule 9 in Bewegung setzt. Auf Grund der schwingenden Bewegung schneidet die Metallspule 9 periodisch durch die magnetische Kraftlinie des magnetischen Feldes zwischen den beiden Dauermagneten 7, 8. Dadurch verändert sich die magnetische Flussdichte in der Metallspule 9 periodisch, und es entsteht ein induzierter Strom in der Metallspule 9.
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Das Anordnungsschema des erfindungsgemäßen Generators im Automobil wird in 4 gezeigt. Er kann je nach Automobiltyp bei verschiedenen Positionen des Luftfilters und des Luftansaugrohrs des Motors eingebaut werden. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass die Längsachse des Gehäuses 4 der Anströmungsrichtung 1 entspricht, damit Luft in das Gehäuse 4 strömen kann. Ferner kann das Gehäuse 4 auch entlang seiner Längsachse um 0° bis 90° gedreht werden. Bei einer Drehung um 90° werden die Schwingungen von Wirbelerreger 2 und Metallspule 9 am wenigsten von der Schwerkraft beeinflusst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anströmungsrichtung
- 2
- Wirbelerreger
- 3
- Karman-Wirbelstraße
- 4
- Gehäuse
- 5
- Strömungseingang mit Verbindungsflansch
- 6
- Strömungsausgang mit Verbindungsflansch
- 7
- N-Pol eines Dauermagneten
- 8
- S-Pol eines Dauermagneten
- 9
- Metallspule
- 10
- Luftfilter
- 11
- Luftansaugrohr des Motors
- 12
- Motor
